大气污染控制工程：控制柴油机污染物排放的发动机技术

1.废气再循环

柴油机废气再循环的作用与汽油机相同，主要也是降低热力型NOx。由于柴油机排气中含氧量相对汽油机要高得多，因而必须使用更大的EGR率，可以达25%～40%。EGR虽然可以明显降低NOx，但由于进气加热作用和过剩空气系数下降，会造成碳烟和耗油率的恶化，而采用冷却废气再循环的方法则可以明显抑制发动机性能的恶化。废气再循环还有其他方面的积极作用，如改善启动加热，降低怠速时耗油量，提高低负荷下的排温，从而提高催化反应的转化率，并能降低燃烧噪声和爆发压力等。

低负荷时EGR对发动机影响不大，只能使燃油耗率和HC排放性能略有改善，EGR对柴油机性能的负面影响，主要表现在大中负荷时。因此，实际应用中应随工况不同而改变EGR流量。另外，柴油机排气中SO2生成的硫酸对EGR管道系统、阀门以及汽缸壁面有腐蚀作用，还会使润滑油劣化，同时，排气中回流的颗粒物也会加大汽缸套、活塞环等的磨损，这些都是应用中尚未完全解决的问题。目前，EGR主要应用在柴油轿车和一些轻型车上，重型柴油车则较少采用。

2.改进供油系统

改进供油系统的关键技术有：采用高压喷射（最高喷油压力可达150～180 MPa），喷油规律及结构参数优化，预喷射法，多段喷射法，缩小喷油嘴孔径并增加孔数，以及推迟喷油提前角等。

应用高压喷射技术，以及缩小喷油嘴孔径并增加孔数的效果，可以使得柴油喷雾颗粒进一步细化，增强燃油与空气的接触混合，着火落后期缩短，从而改善了燃烧过程，且碳烟排放和热效率都有了明显改善。一般高压喷射会使NOx排放增加，但如果配合采用推迟喷油时间或EGR等方法，可以使NOx排放也同时降低。预喷射法和其他改善喷油规律的方法具有类似的效果，主要是在改善燃烧效果、提高热效率并降低碳烟排放的同时，尽量避免NOx排放性能的明显恶化。

推迟喷油提前角是降低各种类型燃烧室NOx生成的主要措施。如图6-14所示是喷油提前角对污染物排放性能的影响，延迟喷射可以达到降低NOx的排放的效果，但是由于燃烧延迟了，CO和炭烟颗粒物的排放量（以烟度表示）都会增加，动力性和燃料效率将降低。最佳喷油提前角的确定，必须综合考虑动力性、经济性和排放特性，根据不同工况进行自动调控。

图6-14　喷油提前角对污染物排放性能的影响

3.采用增压和中冷技术

增压和中冷技术是提高柴油机功率、燃油经济性以及降低污染物排放量的最有效的措施之一。增压技术最常见的是废气涡轮增压，即利用发动机排出的高温废气带动涡轮高速旋转，从而驱动压气机使汽缸进气量提高。由于进气密度的大幅提高，柴油机功率可提高30%～100%，燃油经济性也明显改善，CO、HC和炭烟的排放都有一定程度的降低，如图6-15所示。柴油机采用进气涡轮增压后，由于进气温度较高，提高了最高燃烧温度，反而使NOx的比排放量[g/（kW·h）]增加。为此，可采用增压中冷技术使进气温度降低，防止NOx排放性能的恶化。(www.xing528.com)

图6-15　增压柴油机的排放特性和燃油消耗率

4.采用分隔式燃烧室

柴油机按燃烧室形式不同可分为两类，即直喷式柴油机（direct injection，DI）和非直喷式柴油机（indirect injection，IDI）。涡流室式和预燃室式燃烧室统称为IDI燃烧室。DI柴油机将燃油直接喷入统一的燃烧室空间；而IDI柴油机首先将燃油喷入副燃烧室，进行一次混合燃烧，然后冲入主燃烧室进行二次混合燃烧。

分隔式燃烧室的NOx排放要比直喷式燃烧室低1/3～1/2，这是因为在分隔式燃烧室中，副燃烧室的壁温较高，滞燃期短，爆发压力低，从而使火焰前峰温度低，且分隔式燃烧室中a小，处于缺氧条件下，这些均抑制了NOx的产生。当燃气进入主燃烧室后，由于主燃烧室中大量空气的冷却以及活塞已开始下行，又继续造成了生成NOx的不利条件。由于分隔式燃烧系统利用二次涡流促进了主燃烧室的混合气形成和燃烧，在主燃烧室中减少或避免高温局部缺氧的不利影响，所以分隔式燃烧室的HC、CO和颗粒物排放也较低，此外噪声也较低。但分隔式燃烧室的经济性差，燃油消耗率比直喷式高5%～10%，这使得IDI柴油机一直未能成为主流。值得注意的是，为降低NOx，许多研究者一直在努力将IDI的浓稀两段燃烧方式部分地融入DI的燃烧方式中。

5.电控柴油喷射

电控柴油喷射系统是近年来开发的新一代发动机技术，与电控汽油喷射系统一样，也由传感器、执行器、电控单元三部分组成。它可以实现如图6-16所示的一系列控制功能，因而可以在任何工况下都能选择最佳的喷油量、喷油压力、喷油提前角、喷油速率等参数，从而改善柴油机的燃油经济性和排放性能，是柴油机排放控制的有效手段。20世纪90年代出现的共轨式时间控制系统，采用高压共轨避免了早期产品压力难以控制的缺点，从而实现喷油参数的更精确控制。

图6-16　柴油机电控原理示意图